張學(xué)中，張朋波，閆佳麟，孫國(guó)良，汲書強(qiáng)

(中國(guó)信息通信研究院，北京 100191)

0 引言

在核電站多樣性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(DAS)、數(shù)字化儀控系統(tǒng)(DCS)、應(yīng)急通信系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)中，機(jī)架系統(tǒng)為最基本的承載單元，作用是方便安裝固定各類設(shè)備，給內(nèi)部承載設(shè)備提供直接的安全保護(hù)。核電機(jī)架系統(tǒng)一般由機(jī)框、門板、內(nèi)立柱、角規(guī)、側(cè)橫梁等部件組裝而成。由于核電廠復(fù)雜的使用環(huán)境和安全技術(shù)要求，機(jī)架系統(tǒng)需具備優(yōu)良的抗震性能和高強(qiáng)度，且抗震性能直接關(guān)系到內(nèi)部?jī)x表設(shè)備的安全使用。該文通過(guò)研究一種核電機(jī)架系統(tǒng)的減隔震裝置在地震中的實(shí)際使用效果，對(duì)比分析機(jī)架不同安裝邊界條件下的抗震性能。

1 機(jī)架減震系統(tǒng)

日本福島事件后，我國(guó)第三代核電技術(shù)抗震標(biāo)準(zhǔn)已提至數(shù)百年一遇，核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震已由0.2 g提高到0.3 g，核電站機(jī)架的抗震性能也相應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。簡(jiǎn)單的抗震加固已不能完全保障人員安全、物理安全和設(shè)備安全，解決問(wèn)題的根本方法為機(jī)架減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，降低機(jī)架輸入端的地震加速度，減小機(jī)架的地震響應(yīng)。機(jī)架的減震系統(tǒng)無(wú)需改變機(jī)架本身的結(jié)構(gòu)形式，是作為一種抗震組件應(yīng)用于機(jī)架的設(shè)計(jì)中。

1.1 核電機(jī)架系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)架系統(tǒng)是以主體框架為核心的系統(tǒng)構(gòu)造體，其整體強(qiáng)度和承載設(shè)備質(zhì)量由框架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定。機(jī)架的固有頻率與機(jī)架的強(qiáng)度相關(guān)，地震波為多頻波形，核電抗震反應(yīng)譜頻帶范圍要求為1～100 Hz。如機(jī)架固有頻率處于反應(yīng)譜平臺(tái)卓越頻率范圍內(nèi)，在地震發(fā)生時(shí)，極易引起機(jī)架框架的共振響應(yīng)，增加機(jī)架內(nèi)安裝設(shè)備的地震響應(yīng)，加大地震災(zāi)害損失[1]。

通過(guò)對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得出核電用機(jī)架系統(tǒng)的水平X、Y方向固有頻率不小于30 Hz，相比普通機(jī)架小于10 Hz的固有頻率顯著增強(qiáng)，可以提高機(jī)架系統(tǒng)的抗震性能。核電機(jī)架與普通機(jī)架固有頻率對(duì)比如圖1所示。

圖1 機(jī)架固有頻率分布圖Fig.1 Rack natural frequency distribution

1.2 減震系統(tǒng)選擇

一般機(jī)架提高抗震性能主要是通過(guò)提高自身的強(qiáng)度和剛度，增大強(qiáng)度的措施包括改變立柱界面形狀和主框架連接方式、加厚主框架板材、增加抗震組件等。這些措施在增大機(jī)架剛度的同時(shí)，也會(huì)增加機(jī)架在地震中的振動(dòng)傳遞和振動(dòng)響應(yīng)，減震系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)地震中不傳遞振動(dòng)和吸收振動(dòng)的方式來(lái)減小機(jī)架的損壞。機(jī)架減震系統(tǒng)的主要原理是把原來(lái)加固增加的剛度變成柔性材料，改變機(jī)架的固有頻率，通過(guò)地震載荷下減震系統(tǒng)的變形吸收地震的能量，使機(jī)架處于柔性工作狀態(tài)，克服機(jī)架加速度響應(yīng)大的缺點(diǎn)。減震系統(tǒng)的選擇首先要考慮靜載特性，保證各受力單元的均勻，各受力單元的總承載能力至少大于額定載荷的2倍，保證靜載的變形量，使減震系統(tǒng)始終處于彈性范圍[2-5]。

地震激勵(lì)頻率在0～100 Hz范圍內(nèi)，主要為低頻寬帶隨機(jī)振動(dòng)，機(jī)架系統(tǒng)隨機(jī)激勵(lì)的低頻分量對(duì)機(jī)架內(nèi)設(shè)備響應(yīng)的“貢獻(xiàn)”比高頻分量大，非線性隔震器對(duì)于抑制低頻寬帶激勵(lì)具有理想的效果。機(jī)架減震系統(tǒng)主要由鋼絲繩減震器和限位裝置組裝而成。鋼絲繩減震器為一種非線性剛度和非線性阻尼的隔震器類型，鋼絲繩減震器本體主要由7股直徑6.0 mm的鋼絲繩環(huán)繞而成，每根鋼絲繩由19根1.2 mm的鋼絲組成，結(jié)構(gòu)形式為拱狀，材質(zhì)為不銹鋼，具有多向彈性變形，具備正向和側(cè)向承載能力，側(cè)向承載能力是正向的70%，單只垂直承載能力為300 kg，主要優(yōu)勢(shì)為自振頻率低，阻尼比大，放大倍率低、抗沖擊能力強(qiáng)，耐高溫、腐蝕，安裝方便[6-7]。減震器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram

減震系統(tǒng)的靜載特性如圖3所示。鋼絲繩隔震器靜態(tài)特性表現(xiàn)出一種剛度由高到低的變頻特性，在低

圖3 滯回曲線Fig.3 Hysteretic curve

式中：m為設(shè)備質(zhì)量；c為設(shè)備阻尼；k為設(shè)備剛度；p(t)為激振力。

減震器靜剛度為：

a0=0.98 g ，

k=99.59×103(N/m)。

減震器承載質(zhì)量為：

m=560 kg 。

承載質(zhì)量固有頻率為：

f0=12.48 Hz ，

W0=2πf0=78.374 rad/s 。

減震器組成的多自由度系統(tǒng)固有頻率為：

ω=2πf=330.486 rad/s ，

隔振系數(shù)為：

隔振后設(shè)備加速度響應(yīng)為：

A=a0×η=0.126 g 。

底部安裝4個(gè)減震器的工況下固有頻率為：

測(cè)試獲取的減震系統(tǒng)傳遞特性如圖4所示。

圖4 減震系統(tǒng)傳遞特性曲線Fig.4 Transmission characteristic curve of damping system

2 機(jī)架減震系統(tǒng)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將兩個(gè)560 kg的機(jī)架通過(guò)底部?jī)煞N安裝方式固定在轉(zhuǎn)接鋼板上，在機(jī)架主框架及振動(dòng)臺(tái)上粘貼三向加速度傳感器，輸入人工合成地震波，獲取兩個(gè)核電抗震機(jī)架不同安裝方式下的各關(guān)鍵位置的振動(dòng)加速度響應(yīng)和固有頻率變化。

2.2 機(jī)架安裝方式

核電機(jī)架分別采用底部焊接和安裝減震器兩種方式(見圖5)。焊縫為角焊縫，熔深不小于1 mm，焊縫要求無(wú)夾渣、氣孔和裂紋等。焊接位置共有8段，每段長(zhǎng)度為150 mm，焊高為10 mm。底部四個(gè)減震器固定于機(jī)架與轉(zhuǎn)接鋼板之間。

圖5 安裝示意圖Fig.5 Installation diagram

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

輸入0.2 g白噪聲隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)，頻帶范圍覆蓋0.5～100 Hz，獲取機(jī)架的響應(yīng)頻率，固有頻率測(cè)試結(jié)果如表1所示。焊接安裝機(jī)架的固有頻率明顯高于減震器安裝的機(jī)架，底部安裝減震器的機(jī)架水平方向剛度低，側(cè)向支撐力不足[7]。兩種安裝方式機(jī)架頂部加速度響應(yīng)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向加速度響應(yīng)曲線如圖6所示。在核電運(yùn)行基準(zhǔn)地震和安全停堆地震考核下，同時(shí)測(cè)試機(jī)架中部和頂部的X、Y、Z三個(gè)方向的加速度響應(yīng)，響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖7所示。

表1 不同約束條件下的機(jī)架固有頻率Table 1 Natural frequency of the rack under different constraints

圖6 地震加速度響應(yīng)Fig.6 Seismic acceleration response

圖7 不同約束條件下的機(jī)架地震加速度響應(yīng)Fig.7 Seismic acceleration response of frame under different constraints

鋼絲繩隔震器為非線性隔震器，輸入人工合成地震波為大位移隨機(jī)波，對(duì)隔震器的評(píng)價(jià)不采用傳遞函數(shù)來(lái)描述隔振效率，將設(shè)備加速度響應(yīng)的幅值與激勵(lì)信號(hào)的差異作為對(duì)非線性隔振效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于安裝剛度的差異，機(jī)架的最大加速度響應(yīng)發(fā)生在機(jī)架的頂部。通過(guò)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，底部安裝減震器的機(jī)架水平加速度響應(yīng)放大率為3.786，垂直方向?yàn)?.536；水平方向減震51%，垂直方向減震54%。可以得出，減震器在地震時(shí)發(fā)揮出減隔震作用。隨著外界激勵(lì)信號(hào)幅值的增大，鋼絲繩隔震器剛度降低，固有頻率降低，隔震頻率遠(yuǎn)離激勵(lì)頻率，使隔震效果進(jìn)一步增強(qiáng)。機(jī)架頂部響應(yīng)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向位移曲線如圖8所示，頂部響應(yīng)測(cè)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)方向試驗(yàn)響應(yīng)反應(yīng)譜對(duì)比如圖9所示。

圖8 地震位移響應(yīng)Fig.8 Seismic displacement response

圖9 試驗(yàn)響應(yīng)反應(yīng)譜對(duì)比Fig.9 Comparison of test response spectra

通過(guò)機(jī)架頂部位移數(shù)據(jù)和響應(yīng)TRS比較可發(fā)現(xiàn)，減震器對(duì)高頻振動(dòng)敏感，對(duì)地震波中的低頻成分減震效果不明顯；垂直方向隔振效果明顯，水平方向隔振效果不明顯。垂直方向最高可減震54.02%加速度幅值，減震器減小地震中機(jī)架加速度響應(yīng)的同時(shí)，增加機(jī)架頂部的位移，提高機(jī)架的偏移角度，對(duì)機(jī)架立柱結(jié)構(gòu)的抗震性能考核等級(jí)高。由于減震器良好的高頻耗能，使機(jī)架的加速度響應(yīng)值小于剛性連接的安裝方式，同時(shí)減震器的位移試驗(yàn)值大于剛性連接機(jī)架位移值，導(dǎo)致機(jī)架傾覆力矩變大，對(duì)水平剛度不足的現(xiàn)象還需進(jìn)一步增加加固和限位措施，達(dá)到理想的減震狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)架的減隔震系統(tǒng)采用先進(jìn)的非線性剛度和非線性阻尼的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)能起到對(duì)機(jī)架內(nèi)設(shè)備的隔振、抗震與緩沖的作用。與傳統(tǒng)的減震系統(tǒng)相比，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，安裝方式多樣，良好的緩沖抗沖性能，阻尼大，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)核電的大力發(fā)展，機(jī)架減震系統(tǒng)未來(lái)也可應(yīng)用到海上核電站、海上浮動(dòng)堆、核動(dòng)力平臺(tái)、核動(dòng)力破冰船、核動(dòng)力商船等項(xiàng)目上，以減小海浪沖擊、地震等對(duì)設(shè)備安全性的影響。